Hogyan figyelhetünk meg születő csillagokat?

Ha felnézünk az égboltra, mintegy 3-4000 csillagot láthatunk a saját szemünkkel, melyek között több száz fiatal csillagot fedezhetünk fel. Az egyik leghíresebb fiatal csillagokból álló csoport (hivatalos néven "Nyílt halmaz") a Bika csillagképben található Fiastyúk.

1. Ábra: A Fiastyúk fiatal csillagokból álló "csillagbölcsőde". Jól látható ezen a közeli infravörös hullámhosszon készült, Spizter űrteleszkópos felvételen, a csillagokat körülvevő gáz-és porfelhő maradványa, amelyből kialakultak ezek a csillagok. A Nap is hasonló módon jött létre nagyjából 5 milliárd éve. Forrás: NASA

Itt egyből nem is egy, hanem több tucat ifjú "égi világítótornyot" vehetünk észre. Ennek az oka, hogy a csillagok, mint a természetben gyakorta fellelhetően "többesikrekként jönnek a világra", azaz általában nem magányosan, hanem számos testvérükkel együtt alakulnak ki, s bármennyire is meglepően hangzik, nem volt ez másként a Nap esetében sem. A Nap is többedmagával keletkezett, körülbelül 5 milliárd éve, és sok "testvére" a mai napig bevilágítja az éjszakai égboltunkat, és a kozmoszt.

A Világegyetem kialakulását tekintve, a tudomány mai állása szerint, a kezdetekkor volt egy hatalmas "Bumm", aminek következményeként létrejött a teljes tér és az idő, mindaz, amit ma ismerünk a világból. Kezdetben nagyon forró és sűrű volt minden, de ahogy tágult a világ, egyre jobban lehűt, miközben lecsökkent az átlagos sűrűsége. Az Ősrobbanás után röviddel több, mint 300 000 évvel, beköszöntött a világunk sötét korszaka.

Természetesen nem abban az átvitt értelemben, mint mondjuk a "sötét" középkor az emberiség életében, hanem a szó szoros értelmében. Hiába tudta volna már a fény akadálytalanul bejárni a világot, nem volt, ami világítson. Ekkor nem volt semmi, ami fénnyel bevilágíthatta volna sötét világunkat, nem létezetek sem a csillagok, sem a galaxisok. Csak a "Big Bang" által létrehozott atomok voltak a világban, gigantikus ködfelhőként kitöltve az Univerzumot.

2. Ábra: Fantáziakép az Univerzumot kitöltő forró és sűrű gázról, melyből idővel létrejöttek az első csillagok (ezek a fényes pontok a képen). Látható, hogy nem egyenletesen tölti ki a teret ez a főképp hidrogénből álló "anyag". Forrás: NASA

Persze mára megtudtuk, hogy ebben a korai időszakban sem volt egyenletesen elosztva a gáz, néhol sűrűbb, néhol pedig ritkább volt, az egész tágult, mozgott, kavargott. A gravitáció, ami a Földön tart minket, elkezdte azt a hatalmas munkát végezni, ami elvezetett ahhoz, hogy az első csillagok, majd belőlük a galaxisok, kialakuljanak. Ahol sűrűbb volt a gáz, azaz nagyobb volt az egységnyi térfogatra jutó tömege az anyagnak, a gravitáció elkezdte összehúzni azt a részt. Ennek következtében, szinte csak hidrogénből és héliumból álló, jól körülhatárolt, óriási felhők keletkeztek az évmilliók alatt, majd a világ keletkezése után nagyjából négyszázmillió, más számítások szerint inkább egymilliárd évvel később végre megszülettek az első csillagok és ezzel véget ért az Univerzum sötét korszaka. Ezek az első csillagok nagyon másmilyenek lehettek, bizonyos szempontból a ma ismert csillagokhoz képest, de ezen objektumok halálának köszönhetjük, hogy a Földbolygó kialakulhatott. Ezek a csillagok hozták létre a Földet alkotó kémiai elemek nagy részét, a hidrogént és héliumot leszámítva.

3. Ábra: Az első fények az általunk ismert Univerzumban 12-13 milliárd évvel ezelőttről. Ezek a csillagok sokban eltértek a mai társaiktól, de nélkülük nem jöhetett volna létre az a bolygó, ahol élünk, a Föld. Forrás: NASA

Az első csillagokból a gravitációs vonzásnak köszönhetően lassan létrejöttek az első néhány millió csillagból álló galaxisok, melyekből néhány milliárd év alatt olyan hatalmas óriások is kifejlődhettek, mint amilyen a szabad szemmel is megfigyelhető Androméda-galaxis, vagy a mi galaxisunk, a Tejút, melyek több százmilliárd csillagnak adnak ma otthont. Manapság sokban eltér a csillagok keletkezése az ősi állapotokhoz képest, mivel sokkal nagyobb és sokkal hidegebb a Világegyetem. Ami viszont nem változott az az, hogy a csillagok most is hatalmas, úgynevezett csillagközi felhőkből jönnek létre, igaz az összetételük nagyon más, mint amilyen hajdanán volt. Ma azt mondjuk, hogy a galaxisokban található sűrű gáz- és porfelhők a csillagszületés szinterei.

A galaxisunkat hatalmas tömegű gáz és az első csillagoknak köszönhetően hatalmas tömegű "por" tölti ki. Eme por olyan kémiai elemekből áll, melyek már nem az ősrobbanással jöttek létre, hanem a csillagokban működő termonukleáris fúzió hozta létre őket, illetve a fúzió által létrejött kémiai elemek összekapcsolódása által létrejövő molekulák azok, melyek szintén jelen vannak benne. Ezen por miatt lehet látni a Tejútról készült csillagászati képeken azokat a jellegzetes sötét sávokat.

Ha ezt szermélyesen is szeretnénk megnézni, akkor nem kell mást tennünk, mint keresnünk éjszaka egy fényszennyezéstől mentes helyet, ahonnan megfigyelhetjük a Hadak útját (a Tejút sávját) és észrevehetjük máris a hatalmas mennyiségű port, ami néhol kitakarja a mögöttes milliárdnyi világító csillag fényét, sötét sávokat eredményezve ezzel a Tejút látképében. A tudomány mai állása szerint a galaxisunkat alkotó felhők tömegének kevesebb, mint 1%-át alkotja a por, a többi hidrogén és hélium, ha pontosabbak akarunk lenni azt mondhatjuk, hogy a csillagközi anyagban minden 150-200-ik elem lesz por, a többi gáz. Ebből az kevesebb, mint 1%-nyi porból alakulnak ki a szilárd felszínnel rendelkező bolygók, holdak és egyéb szilárd felszínű égitestek, objektumok. A Földön szinte minden ebből alakult ki, így lényegében "csillagporból" van a számítógép képernyője, vagy éppen a papír, melyre időnként a szavainkat vetjük, sőt, mi magunk is mindannyian "csillagporból" vagyunk.

4. Ábra: Éjszakai felvétel a Tejút sávjáról. Jól látható ezen a csillagászati felvételen az az irdatlan mennyiségű por, ami kitakarja előlünk a galaxisunk korongjában levő sokmilliárdnyi csillag fényét. Forrás: NASA

Most vegyük számba azt a folyamatot, ami struktúrába rendezte a gáz-és porfelhőket, s létrehozta azokat a csillagokat, amiket ma ismerünk. A mi galaxisunkban ma is születnek csillagok, főképp a spirálkarokhoz közel a Tejútrendszer korongjában, ahol a csillagszületés szempontjából fontos hideg és sűrű csillagközi gáz-és porfelhők találhatóak. Vannak másféle felhők, de azokban nem szoktak csillagok születni.

5. Ábra: Kép az "Éta Carinae-köd"-ről, ami a Hajógerinc csillagképben található (Magyarországról sosem látszik). Az Éta Carinae-köd, csillagkeletkezési terület a galaxisunk legfényesebb területén található, erről készített először felvételt a híres Hubble-űrtávcső. Átmérője körülbelül 300 fényév és most is több nagyméretű és csupán néhány millió éves fiatal csillag otthona. Forrás: NASA

A csillagközi gáz- és porfelhők koránt-sincsenek nyugalomban. Bennük a mágneses tér, a jelen levő áramlások és turbulenciák, a forgásuk miatti centrifugális erők és a gravitáció erejének állandó párbaja zajlik, s akkor még nem is beszéltünk a felhőkre kívülről ható egyéb hatásokról, mint amilyen egy felrobbanó szupernóva lökéshulláma lehet. Sok minden elmondható tehát ezen gigászi égi ködökről, de az biztosan nem, hogy a béke és nyugalom szigetei lennének, annak ellenére, hogy sokáig így vélekedtek róluk a csillagászok. Ezen mostoha körülmények között kezdődik tehát az a folyamat, ami végül elvezet a csillagok és bolygók létrejöttéhez. Ezek a több tízezerszeres, sőt akár százezerszeres naptömegű (a Nap több mint 333 000-szer nehezebb a Földnél) csillagközi felhők, mint ahogy szó volt már róla, nem egyenletesen sűrűek. Ez pedig azt eredményezi, hogy, ha valahol valamilyen hatás miatt a kelténél jobban megugrik a sűrűség a kényes egyensúlyban levő felhőben, a gravitáció elkezdi összehúzni azt, és ezt az állapotot szokás Class0-s protocsillagnak (protostellar) is hívni. Ha ilyeneket szeretnénk szabad szemmel is megfigyelni, csekély esélyekkel indulunk, hiszen ez esetben mindenképpen szükségünk van egy távoli-infravörös hullámhosszon működő távcsőre, ami érzékeli ezt a fajta sugárzást, ugyanis az emberi szem erre nem képes, ráadásul a légköri elnyelés miatt a megfigyelést mindenképpen a Világűrből kell elvégezni, melynek hőmérséklete -271 Celsius fok, tehát nem egyszerű a feladat. Ilyen esetekben jó, ha kéznél van egy olyan eszköz, mint amilyen például a Herschel-űrobszervatórium volt. A Herschel távcső nyújtotta az első lehetőséget arra, hogy a csillagászok tömegesen tudjanak megfigyelni valódi "csillagmagokat", melyek maximum néhány naprendszernyi területre zsúfolják össze az anyaguk döntő hányadát. Ezt nevezzük felhőmagnak, melynek hőmérséklete még mindössze alig néhány kelvin (mínusz 260 270^oC). Ez a fázis a csillagkeletkezés nulladik lépése.

Idővel, ahogy a gravitáció egyre jobban összesűríti az anyagot, egyre jobban felmelegszik a mag, melynek közepe aztán néhánymillió kelvin hőmérsékletre hevül és eléri azt a kritikus sűrűséget, ami százezerszer nagyobb, mint annak a víznek a sűrűsége, mint ami a csapból folyik. Ilyen körülmények között beindul a kémiai fúzió, azaz a hidrogén atommagok egyesülnek hélium atommagokká. Ez a reakció termeli az energiát minden "normális" csillag belsejében, így a mi napunkban is, és ettől a pillanattól, azaz a fúzió beindulásától kezdve mondhatjuk, hogy megszületett a csillagunk, azaz átléptünk a ClassI-es, fiatalcsillag fázisba. A beinduló fúzió által megtermelt energia szab gátat a gravitáció szűnni nem akaró összehúzó erejének, ami igyekezne a végtelenségig egyre jobban összenyomni az anyagot. Ha a Nap nem termelne energiát, bizony a gravitáció összenyomná körülbelül századméretűre, ahol más okok miatt, különböző kvantummechanikai törvényekből fakadóan állna meg az összehúzódás. Egyszer azonban elfogy a Nap üzemanyaga is, így 4-5 milliárd év múlva tényleg ez fog történni, s életet adó csillagunk végül végleg kihuny majd.

A ClassI-es csillagokat még sűrű burokként veszi körül az a gáz és por, melyből éppen megszülettek. Ennek a buroknak az átmérője meghaladja a több ezer csillagászati egységet (CSE, Astronomical Units, AU, ami a Föld Naptól mért átlagos távolsága (149 597 871 kilométer, kb. 150 millió km)), tömege pedig összemérhető a benne megbúvó "csillagcsecsemő" tömegével.

6. Ábra: Egy éppen most megszülető csillag képe az Orion konstellációban. Jól látható az a hatalmas tömegű felhő, melybe még be van ágyazva a "csillagcsecsemő". Forrás: NASA

Ahogy a fiatal csillag ("young stellar object, YSO") fejlődik, egyre több anyagot nyel el a környező gáz-és porfelhőből, így folyamatosan nő a tömege, ami miatt a YSO központjában egyre magasabb ütemben zajlik a fúzió. A burkot alkotó anyag a forgásból következő impulzusmomentum-megmaradás (más néven perdület-megmaradás) törvényének engedelmeskedve lassan egy nagyjából 50 csillagászati egység méretű korongba összpontosul. Az ilyen fiatal csillagokat, ahol a burok már alig van jelen, viszont egy jelentős korong veszi körül az objektumot, nevezzük ClassII-s YSO-nak. Ebből a korongból az anyag egy része idővel bespirálozik a csillagba, mellyel tovább növekszik annak tömege, ám ismét a perdület-megmaradás miatt, szükséges egy a korong síkjára merőleges úgynevezett "jet", azaz anyagkidobódás megjelenése, mellyel kis mennyiségű anyag, és nagyrészt energia távozik a rendszerből, így biztosítva a perdület-megmaradás teljesülését. Az ilyen kilövellés sebessége elérheti a több ezer kilométer per másodperces sebességet is. Egyes tudósok szerint már ebben a fázisban elkezdődik a bolygóképződés folyamata, de erre még nincs egyértelmű bizonyíték. Annyi mindenesetre jól látszik, hogy ahogy hullik be a csillagra az anyag, a korong sűrűsége egyre kisebb lesz, és ahogy az előbb olvashattuk, a csillagban egyre nagyobb fokozatra kapcsol a fúzió is. Ez viszont azt jelenti, hogy egyre nagyobb lesz a csillag fénye, és a "csillag szele", azaz a csillagról leszakadó részecskék áramlása, ami a csillag körül mindjobban elkezdi elfújni a gáz-és porfelhő maradványait.

7. Ábra: Művészi rajz egy ClassII-es csillagról. Megfigyelhető a csillagot körülvevő nagyon sűrű korong alakú anyaghalmaz, melynek bizonyos része idővel behullik a csillagba, más részéből bolygók formálódnak, illetve jelentős részét a csillagszél elfújja. Forrás: NASA

Ezzel el is érkeztünk a csillagszületés utolsó lépéséhez, a ClassIII-as fázishoz. Itt már mindenképpen zajlik a bolygók és egyéb csillagrendszerbeli objektumok formálódása, aminek pontos mikéntje a mai napig érthetetlen problémaként tornyosul a csillagászok feje fölé.

Mindazonáltal, eme fázisban a csillagunk körülbelül eléri a maximális tömegét és méretét. A magjának hőmérséklete tízmillió kelvin körül mozog, míg a felszíne több ezer kelvin meleg. Amint a korong utolsó darabja is eltűnik a csillag körüli régióból, átlépünk a csillag életétnek fő szakaszába, a "nyugodt", fősorozati fázisba, ahol a mi csillagunk, azaz a Napunk már 4-5 milliárd éve tartózkodik, és még becslések szerint ugyanennyit fog tartózkodni. Az imént leírtak a Naphoz hasonló csillagok születését mutatják be. Vannak azonban más végkimenetellel végződő folyamatok is, mint például a többes csillagok születése, vagy az óriáscsillagok létrejötte, melyek némileg eltérő úton születnek.

8. Ábra: Fantáziakép a csillagszületés végső állapotáról, középen a létrejött ifjú csillaggal és körülötte a korong maradványaiból létrejövő bolygók és egyéb csillagrendszerbeli objektumokkal. Készítő: Bőgner Rebeka, publikálás: Rácz István licenctulajdonos engedéjével

A mi Napunk azonban egyedül jött létre, elsodródva 4-5 milliárd év alatt testvéreitől, ám ettől eltérően néha előfordul, hogy nem csak a születésükkor vannak együtt a csillagok, de életük végig együtt is maradnak, kettős, négyes, vagy akár többes csillagrendszereket alkotva, esetenként hatalmas gömbhalmazokban tömörülve. Ilyenkor kettő, négy vagy akár több csillag is kering egymás körül illetve több millió a gömbhalmazok esetében. Erre egy jó példa a Star Wars-ból ismert Tatoinne bolygó, melynek két napja is volt az égen, illetve a nagy tömegű csillagok, mint amilyen az éjszakai égbolt legfényesebb csillaga, a Sirius. Az ilyen nagy tömegű csillagok, mire megszületnek, szinte azonnal meg is kezdik a haláltusájukat, ugyanis minél nagyobb egy csillag, annál gyorsabban fogyasztja el az "üzemanyagát". Ezek az óriások néha "csak" pár millió évig élnek, miközben maga a csillagszületés is pár millió év alatt játszódik le a felhőmag létrejöttétől kezdődően, így galaktikus léptékben mérve, valóban Tiszavirág életűek.

Amennyiben fiatal csillagokat szeretnénk megfigyelni, télen és koratavasszal, messze a fejünk felett látható az Orion csillagkép. Ebben a csillagképben kell keresni az övet alkotó 3 jellegzetes csillag alatt egy kis, felhőszerű pacnit, melyben éppen több száz, sőt, lehet, hogy több ezer fiatal csillag születik jelenleg.

S, ha már megtaláltuk az Oriont, érdemes lehet megkeresni a téli égbolton a bika csillagképet is, ugyanis a Nagy vadász csillagkép övét alkotó három csillag vonalának északnyugat felé történő meghosszabbítása pontosan a Bika csillagkép legfényesebb csillagára mutat, az Aldebaranra. Azért jó, ha megtaláljuk a Taurust, mert a Bika csillagkép szemét alkotja a híres Plejádok (Pleiades) nyílt halmaz (fiatal csillagokból álló csoportosulás), vagy, ahogy mi ismerjük a Fiastyúk. Ha nagyon tiszta az idő és nincsenek zavaró városi fények, s jó a szemünk, akkor nem csak egy tucatnyi kis fénylő pontot pillanthatunk meg, hanem a csillagok körül jelenlévő ködösséget is.

Sok sikert kívánunk a megfigyeléshez!

Rácz István, csillagász

2018. június